Основы химических и физико химических методов анализа. Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и задачи современной аналитической химии. Значение аналитической химии в развитии различных областей естествознания. Представление о дифференциации и интеграции естественных наук. Химия и геология. Законы химии и их значение для наук о земле. Роль аналитической химии в решении проблем геологии, геохимии, космических исследований: определение вещественного состава Земли, земной коры, изучение геологических процессов внешней динамики и геологической деятельности природных вод и др.
Современные методы изучения состава веществ. Качественный и количественный анализ неорганических и органических веществ. Химические, физико-химические и физические методы анализа. Характеристики методов и примеры применения их в геологии (геологических исследованиях). Выбор метода определения элемента в объекте в зависимости от его состава и задачи анализа.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Химические равновесия в гомогенной системе
Основные виды гомогенных равновесий, применяемых в аналитической химии: кислотно-основное, окислительно-восстановительное, равновесие комплексообразования.
Закон действия масс. Константа равновесия обратимой химической реакции. Понятие об идеальных и реальных системах. Причины отклонения от идеальности. Активность, коэффициент активности, cвязь его с ионной силой. Ионное состояние элементов. Концентрация общая и равновесная. α-коэффициент (мольная доля). Константы термодинамические, реальные, условные, их связь.
Кислотно-основное равновесие . Современные представления о кислотах и основаниях. Протолитическая теория Бренстеда-Лоури. Кислотно-основные пары, константы кислотности и основности, их связь. Процессы ионизации и диссоциации.
Типы растворителей, реакция автопротолиза. Ионное произведение растворителя. Нивелирующий и дифференцирующий эффекты растворителей.
Расчет рН в растворах кислот, оснований и амфолитов. Буферные растворы и их свойства.
Равновесие комплексообразования. Классификация комплексных соединений. Хелаты, внутрикомплексные соединения. изменения потенциала окислительно - восстановительной системы. Количественные характеристики устойчивости комплексных соединений - общие и ступенчатые константы устойчивости. Типы комплексных соединений, используемых в аналитической химии и их характеристики. Использование комплексообразования для обнаружения, разделения, маскирования и демаскирования ионов, растворения осадков,
Теоретические основы взаимодействия органических реагентов с неорганическими ионами. Функционально-аналитические группы, хромофорные группы. Правило циклообразования Л.А.Чугаева. Основные факторы, влияющие на устойчивость хелатов: природа иона металла, основность и дентатность лиганда, пространственный фактор и т.д.
Основные направления использования органических реагентов в химическом анализе (обнаружение, определение и маскирование ионов). Наиболее распространенные органические реагенты: диметилглиоксим, 8-гидроксихинолин и др.
Комплексоны. Общие свойства комплексонов и комплексонатов. Основные направления использования двунатриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) для обнаружения, маскирования и количественного определения ионов.
Окислительно-восстановительное равновесие. Обратимые и необратимые окислительно-восстановительные системы. Равновесный электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартный потенциал окислительно - восстановительной системы. Понятие о реальном (формальном) потенциале системы. Факторы, влияющие на величину формального потенциала. Направление реакций окисления - восстановления. Константы равновесия окислительно - восстановительных реакций. Связь константы равновесия со стандартными потенциалами.
Скорость окислительно-восстановительных реакций. Каталитические, индуциро-ванные реакции в окислительно - восстановительных процессах. Основные окислители и восстановители, используемые в анализе.
Окислительно-восстановительные реакции в процессах внешней динамики при образовании осадочных и метаморфических горных пород.

Равновесие в гетерогенной системе

Равновесие в системе твердая фаза - раствор. Реакции осаждения - растворения в аналитической химии. Термодинамическая константа равновесия реакции осаждения - растворения (термодинамическое произведение растворимости). Влияние условий на состояние равновесия реакции осаждения - растворения (реальное и условное произведения растворимости). Использование правила произведения растворимости в аналитической химии.
Условия образования и растворения осадков. Кристаллические и аморфные осадки. Зависимость структуры осадка от природы и условий осаждения. Коллоидное состояние как промежуточная стадия образования осадка. Чистота осадков. Соосаждение. Использование этого явления для концентрирования микропримесей. Закон В.Г. Хлопина. Явление изоморфизма в силикатах и других минералах.
Расчет растворимости в различных условиях (влияние рН, комплексообразования, реакций окисления - восстановления, ионной силы раствора и температуры). Влияние одноименного иона. Солевой эффект.
Равновесие между двумя жидкими фазами. Экстракция и ее использование в аналитической химии. Закон распределения. Коэффициент распределения. Константы равновесия в системе жидкость - жидкость (константа экстракции). Использование экстракции в практике химического анализа.

Подготовка образца к анализу и проведение анализа.

Предварительные макро - и микроскопические исследования. Отбор пробы для анализа однородных и неоднородных веществ, средняя проба.
Выбор схемы и метода анализа в зависимости от состава анализируемого вещества. Разложение анализируемой пробы. Методы переведения в раствор труднорастворимых объектов: растворение в кислотах и щелочах, сплавление с кислыми и щелочными плавнями. Анализ различных объектов: минералов, руд, горных пород, природных и сточных вод, воздуха.

Метрологические основы аналитической химии.

Характеристика аналитических методов. Определение концентрации методом градуировочного графика и методом добавок. Предел обнаружения, нижняя и верхняя границы определяемых концентраций, коэффициент чувствительности, избирательность, время, необходимое для проведения анализа (экспрессность).
Классификация погрешностей. Систематические и случайные ошибки. Правильность и воспроизводимость. Статистическая обработка результатов измерений. Закон нормального распределения случайных величин. Среднее, дисперсия, стандартное отклонение. Оценка правильности. Сравнение дисперсий и средних двух методов анализа. Способы повышения воспроизводимости и правильности анализа.

II. МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Методы обнаружения

Задачи и выбор метода обнаружения. Химические, физико-химические и физические методы обнаружения. Качественный анализ. Характеристика аналитических реакций. Селективные и специфические реагенты. Способы понижения предела обнаружения и повышения избирательности: использование комплексообразования, соосаждения, экстракции, флотации и т.д. Применение реакций образования осадка, окрашенных соединений, выделение газа. Микрокристаллоскопический, капельный, люминесцентный, спектральный анализ; анализ растиранием порошков. Использование органических реагентов.
Аналитическая классификация ионов. Кислотно-основная и сероводородная схемы анализа. Систематический и дробный ход анализа. Экспрессный качественный анализ в полевых условиях.

Методы разделения и концентрирования.

Основные методы разделения и концентрирования.
Разделение элементов с использованием реакций осаждения. Применение органических и неорганических реагентов для осаждения. Групповые реагенты и условия их применения. Характеристика малорастворимых соединений, наиболее часто используемых в анализе: карбонатов, хроматов, фосфатов, оксалатов, гидроксидов, сульфидов. Условия образования и растворения сульфидов металлов. Роль процессов осаждения и растворения осадков при изучении законов миграции (концентрирования и рассеяния) элементов в природе.
Хроматографический анализ. Основные принципы метода. Классификация методов хроматографии по агрегатному состоянию фаз, по механизмам разделения и технике выполнения эксперимента. Методы получения хроматограмм.
Важнейшие теоретические положения. Теория теоретических тарелок и кинетическая теория. Основные уравнения хроматографии.
Ионный обмен и ионообменная хроматография. Газовая хроматография. Жидкостная хроматография, распределительная хроматография на бумаге. Использование хроматографии на бумаге для разделения и обнаружения катионов.
Экстракция. Понятия экстрагент, разбавитель, экстракт, реэкстракция. Условия экстракции, количественные характеристики экстракции. Скорость экстракции. Классификация экстракционных систем по типу экстрагирующихся соединений. Способы экстракции. Разделение элементов методом экстракции. Повышение селективности разделения путем подбора органических растворителей, рН, маскирования. Приборы для проведения экстракции.

Химические методы количественного анализа

Гравиметрические методы анализа

Сущность гравиметрического анализа. Прямые и косвенные методы анализа. Важнейшие неорганические и органические осадители. Осаждаемая и гравиметрическая формы. Требования, предъявляемые к осаждаемой и гравиметрической формам. Осаждение, фильтрование и промывание осадков.
Примеры гравиметрических определений (определение кристаллизационной и гигроскопической воды, диоксида углерода, серы, железа, алюминия, бария, кальция, магния, фосфора).
Анализ карбонатной породы: определение суммы полуторных оксидов, определение оксида кальция и оксида магния.

Титриметрические методы анализа.

Основные положения и методы титриметрического анализа.
Требования, предъявляемые к реакциям в титриметрическом анализе. Измерительная посуда. Способы выражения концентраций растворов. Выражение эквивалентных масс в различных методах титриметрического анализа. Титр. Титрование. Точка эквивалентности и конечная точка титрования. Химические и физико - химические методы обнаружения конечной точки титрования.
Первичные и вторичные стандартные растворы. Первичные стандарты и требования, предъявляемые к ним. Фиксаналы. Метод отдельных навесок и метод пипетирования для установления концентрации рабочих растворов. Вычисление результатов анализа.
Кислотно-основное титрование. Сущность метода кислотно-основного титрования. Рабочие растворы. Первичные стандартные растворы кислот и оснований.
Вычисление рН в различные моменты титрования. Кривые титрования сильных и слабых кислот и оснований.
Индикаторы в методе кислотно-основного титрования. Теория индикаторов. Интервал перехода окраски индикатора. Показатель титрования. Выбор индикатора для установления конечной точки титрования. Погрешности титрования.
Практическое применение метода кислотно-основного титрования. Определение устранимой и постоянной жесткости воды. Анализ смеси карбоната и щелочи, карбоната и бикарбоната. Определение солей аммония.
Изменение окислительно- восстановительного потенциала в процессе титрования. Кривая титрования. Факторы, влияющие на скачок титрования. Методы обнаружения конечной точки титрования. Окислительно - восстановительные индикаторы.
Основные окислительно - восстановительные методы титриметрического анализа: иодометрия, перманганатометрия, дихроматометрия. Иодометрическое определение меди (II). Перманганатометрическое определение железа, окисляемости воды. Дихроматометрическое определение железа.
Реакции комплексообразования, применяемые в титриметрии, и требования к ним. Комплексонометрия. Кривая титрования. Факторы, влияющие на величину скачка титрования. Индикаторы в комплексонометрии. Комплексонометрическое определение жесткости воды, кальция, магния.
Метрологические характеристики химических методов количественного анализа.

Физико - химические и физические методы анализа

Основные принципы физико - химических и физических методов анализа. Их краткая характеристика и значение. Классификация методов анализа. Электрохимические и спектроскопические методы. Их роль для геохимического исследования. Анализ без разрушения анализируемого вещества.
Выбор метода анализа в зависимости от поставленной задачи при анализе горных пород, руд и минералов. Анализ горных пород на примеси (масс-спектрометрия, изотопный анализ, рентгеновские методы анализа). Обработка и представление результатов анализа.

Электрохимические методы анализа.

Общая характеристика электрохимических методов анализа. Их классификация. Измерение потенциала. Электрохимическая ячейка. Обратимые и необратимые электрохимические реакции. Чувствительность и селективность электрохимических методов анализа.
Потенциометрия. Прямая потенциометрия. Классификация и характеристики электродов. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Ионометрия: основные понятия и принципы метода. Классификация ионоселективных электродов. Коэффициент селективности. Потенциометрическое определение кислотности среды (рН), фторидов нитратов и некоторых других ионов (натрия, калия) с применением ионоселективных электродов. Определение концентрации методом градуировки электрода и методом добавок.
Потенциометрическое титрование. Требования, предъявляемые к химической и электрохимической (индикаторной) реакции. Использование реакций различного типа: кислотно-основных, осаждения, комплексообразования и окисления - восстановления. Индикаторные электроды и электроды сравнения. Принципиальная схема потенциометра, рН-метры. Примеры практического применения (определение смеси кислот, кобальта и др.).
Вольтамперометрия . Полярографический метод анализа. Полярографическая ячейка. Индикаторный электрод и электроды сравнения. Индикаторные электроды в вольтамперометрии. Получение и характеристики полярограммы. Уравнение Ильковича. Уравнение полярографической волны. Потенциал полуволны. Качественный и количественный полярографический анализ. Возможности, достоинства и недостатки полярографического анализа. Современные разновидности полярографии. Примеры практического применения вольтамперометрии для определения основных компонентов и примесей в минералах, рудах, природных водах, и экологических объектах.
Амперометрическое титрование. Сущность метода. Индикаторные электроды. Выбор потенциала индикаторного электрода. Вид кривых титрования. Примеры практического использования.
Кулонометрия . Теоретические основы. Способы определения количества электричества в потенциостатической и гальваностатической кулонометрии. Прямая кулонометрия и кулонометрическое титрование. Определение конечной точки титрования. Электрохимическая генерация титрантов. Практическое применение метода, его достоинства и недостатки. Определение малых количеств кислоты, щелочи, определение окислителей и др.
Метрологические характеристики электрохимических методов анализа.

Спектроскопические методы анализа.

Получение химико-аналитической информации при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Классификация спектроскопических методов анализа по видам спектров и способам их возбуждения.
Атомная эмиссионная спектроскопия. Эмиссионные спектры. Дуговой и искровой разряд, как источники возбуждения. Плазмотрон, индуктивно связанная плазма. Факторы, влияющие на интенсивность спектральных линий. Практика эмиссионной спектроскопии. Подготовка пробы и введение ее в разряд. Качественный и количественный анализ. Химико - спектральные методы анализа.
Эмиссионная фотометрия пламени. Пламя как источник возбуждения. Процессы, протекающие в пламени. Химические реакции в пламенах. Факторы, влияющие на степень атомизации. Зависимость интенсивности излучения от концентрации элементов в растворе.
Примеры практического применения эмиссионных методов анализа. Определение щелочных и щелочноземельных элементов. Определение следов металлов в горных породах, рудах, минералах, воде. Применение атомно-эмиссионных методов в исследованиях объектов окружающей среды.
Атомно-абсорбционная спектроскопия. Основы метода. Закон поглощения электромагнитного излучения. Способы получения поглощающего слоя атомов (пламенная и электротермическая атомизация). Источники излучения, их характеристики (лампа с полым катодом, лазер). Принцип атомно-абсорбционных измерений. Возможности, преимущества и недостатки метода. Примеры практического применения атомно-абсорбционного метода в геологии.
Молекулярная абсорбционная спектроскопия (спектрофотометрия). Теоретические основы спектрофотометрического анализа. Основные законы светопоглощения. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Величины, характеризующие светопоглощение: оптическая плотность и пропускание. Молярный коэффициент поглощения. Понятие об истинном и кажущемся (среднем) молярном коэффициенте поглощения. Причины отклонения от законов поглощения. Способы определения концентраций фотометрическим методом: метод градуировочного графика, метод добавок, метод дифференциальной фотометрии.
Выбор оптимальных условий проведения фотометрической реакции. Этапы фотометрического анализа. Фотометрическое определение некоторых элементов (железа, титана, никеля, фосфора, кремния и т.д.).
Люминесценция. Основные характеристики метода. Различные виды люминесценции и их классификация. Основные закономерности молекулярной люминесценции. Закон Стокса-Ломмеля. Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции. Примеры практического применения (определение редкоземельных элементов, урана, алюминия и др.).
Метрологические характеристики спектроскопических методов анализа.

III. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Методы обнаружения и разделения элементов.

Изучение характерных реакций некоторых катионов и анионов. Разделение и обнаружение катионов с применением методов осаждения - растворения, экстракции и хроматографии на бумаге. Обнаружение основных компонентов и примесей в минералах, горных породах, рудах (контрольная работа).

Методы количественного определения элементов.
Химические методы анализа

Гравиметрические методы анализа. Определение бария и сульфат-иона в образце (контрольная работа).
Варианты работы: Определение кальция. Определение железа. Определение алюминия. Определение полуторных оксидов в карбонатной породе. Определение кристаллизационной воды в минералах.
Титриметрические методы анализа . Кислотно-основное титрование. Приготовление вторичного стандартного раствора щелочи и первичного стандартного раствора щавелевой кислоты. Стандартизация раствора щелочи.
Определение концентрации соляной кислоты. (контрольная работа). Статистическая обработка результатов измерений. Варианты работы: Определение солей аммония.
Комплексонометрическое титрование. Комплексонометрическое определение кальция и магния в карбонатной породе (контрольная работа).
Варианты работы: Комплексонометрическое определение общей жесткости воды.
Окислительно-восстановительное титрование. Иодометрическое определение меди (II) (контрольная работа). Дихроматометрическое определение железа (контрольная работа).

Физико - химические методы анализа.

Потенциометрическое определение кобальта (контрольная работа). Варианты работы: потенциометрическое титрование фосфорной кислоты.
Определение фторид-иона (или отдельных ионов: нитратов, натрия, калия) в природных водах с применением ионоселективного электрода (контрольная работа).
Снятие и расшифровка вольтамперометрического спектра (меди, кадмия, свинца, никеля, цинка) (контрольная работа).
Количественный вольтамперометрический анализ. Определение концентрации веществ по методу градуировочного графика или методу добавок (контрольная работа).
Кулонометрическое титрование тиосульфат-иона (или соляной кислоты) (контрольная работа).
Амперометрическое титрование цинка. (факультативная работа).
Фотометрическое определение элемента (железа, никеля, марганца титана, кремния или фосфора) (контрольная работа).
Определение больших концентраций элементов (марганца никеля, меди и др.) дифференциальным спектрофотометрическим методом (контрольная работа).
Люминесцентное определение циркония или органических красителей (контрольная работа).
Атомно-абсорбционное определение меди (цинка, марганца, железа)
Атомно-эмиссионное (пламенное) определение натрия и калия.
Газохроматографическое определение смеси спиртов (углеводородов).

1. Основы аналитической химии (под ред. Ю.А. Золотова). В 2-х кн. Общие вопросы. Методы разделения. Методы химического анализа. М.: Высшая школа. 2004. 361, 503 с.Серия «Классический университетский учебник».
2. Основы аналитической химии. Практическое руководство. Учебное пособие для вузов. Под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высшая школа. 2001. 463 с.
3. Основы аналитической химии. Задачи и вопросы. Учебное пособие для вузов. Под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высшая школа. 2004. 412 с.
4. Е.Н. Дорохова, Г.В. Прохорова. Аналитическая химия. Физико - химические методы анализа. М.: Высшая школа, 1991.

Дополнительная литература

1. Д. Скуг, Д. Уэст. Основы аналитической химии: в 2-х ч. М.: 1979
2. В.П.Васильев. Аналитическая химия. ч. 1-2 М.: Высшая школа, 1989.

Программа составлена
доц. Витер И.П.
Редактор
проф. Шеховцова Т.Н.

Все существующие методы аналитической химии можно разделить на методы пробоотбора, разложения проб, разделение компонентов, обнаружения (идентификация) и определения.

Практически все методы основаны на зависимости между составом вещества и его свойствами. Для обнаружения компонента или его количества измеряют аналитический сигнал .

Аналитический сигнал – это среднее из измерений физической величены на заключительной стадии анализа. Аналитический сигнал функционально связан с содержанием определяемого компонента. Эта может быть сила тока, ЭДС системы, оптическая плотность, интенсивность излучения и т.д.

В случае необходимости обнаружения какого-либо компонента обычно фиксируют появление аналитического сигнала – появление осадка, окраски, линии в спектре и т.д. Появление аналитического сигнала должно быть надежно зафиксировано. При определенном количестве компонента измеряется величина аналитического сигнала: масса осадка, сила тока, интенсивность линий спектра и т.д. Затем рассчитывается содержание компонента с использованием функциональной зависимости аналитический сигнал – содержание: y=f(c), которая устанавливается расчетным или опытным путем и может быть представлена в виде формулы, таблицы или графика.

В аналитической химии различают химические, физические и физико-химические методы анализа.

В химических методах анализа определяемый элемент или ион переводят в какое – либо соединение, обладающее тем или иным характерными свойствами, на основании которых можно установить, что образовалось именно это соединение.

Химические методы анализа имеют определенную область применения. Также и скорость выполнения анализов с помощью химических методов не всегда удовлетворяет нужды производства, где очень важно получить анализы своевременно, пока еще можно регулировать технологический процесс. Поэтому наряду с химическими получают все большее распространение физические и физико-химические методы анализа.

Физические методы анализа основаны на измерении какого-либо

параметра системы, который является функцией состава, например, эмиссионных спектров поглощения, электро- или теплопроводности, потенциала электрода, погруженного в раствор, диэлектрической проницаемости, показателя преломления, ядерного магнитного резонанса и т.д.

Физические методы анализа дают возможность решать вопросы, которые нельзя разрешить методами химического анализа.

Для анализа веществ широко используются физико-химические методы анализа, основанные на химических реакциях, протекание которых сопровождается изменением физических свойств анализируемой системы, например, её цвет, интенсивность окраски, прозрачность, величины тепло- и электропроводимости и т.д.

Физико-химические методы анализа отличаются высокой чувствительностью и экспрессностью выполнения, дают возможность автоматизировать химико-аналитические определения и являются незаменимым при анализе малых количеств веществ.

Следует отметить, что между физическими и физико-химическими методами анализа не всегда можно провести строгую границу. Иногда их объединяют под общим названием «инструментальные» методы, т.к. для выполнения тех или иных измерений требуются приборы, позволяющие с большой точностью измерить значения определённых параметров, характеризующих те или иные свойства вещества.

Указанные методы анализа применяются в случае присутствия зависимости между измеряемыми физическими свойствами в-в и их качественным и количественным составом. Поскольку для измерения физических св-в в-в применяются различные приборы (инструменты), то эти методы наз-ся инструментальными. Классификация физических и физико-химических методов анализа. Основана на учете измеряемых физических и физико-химических св-в в-ва или изучаемой системы. Оптические методы основаны на измерении оптических св-в в-в. Хроматографические на использовании способности различных в-в к избирательной сорбции. Электрохимические методы основаны на измерении электрохимических св-в системы. Радиометрические основаны на измерении радиоактивных св-в в-в. Термические на измерении тепловых эффектов соответствующих процессов. Масс-спектрометрические на изучении ионизированных фрагментов («осколков») в-в. Ультразвуковые, магнитохимические, пикнометрические и т.д. Достоинства инструментальных методов анализа: низкий предел обнаружения 1 -10 -9 мкг; малая предельная концентрация, до 10 -12 г/мл определяемого в-ва; высокая чувствительность, формально определяемая величиной тангенса угла наклона соответствующей градуировочной кривой, отражающей графически зависимость измеряемого физического параметра, который откладывается обычно по оси ординат, от кол-ва или концентрации определяемого в-ва (ось абсцисс). Чем больше тангенс угла наклона кривой к оси абсцисс, тем чувствительнее метод, что означает следующее: для получения одинакового «отклика» - изменения физического свойства - требуется меньшее изменение концентрации или кол-ва измеряемого в-ва. К достоинствам относится высокая селективность (избирательность) методов, т. е. сотавные компоненты смесей можно определять без разделения и выделения этих компонентов; малая продолжительность времени проведения анализа, возможность их автоматизации и компьютеризации. Недостатки: сложность аппаратуры и высокая стоимость; большая погрешность (5 -20 %), чем в классическом химич-ом анализе (0,1 -0,5%); хуже воспроизводимость. Оптические методы анализа основаны на измерении оптических св-в в-ва (испускание, поглощение, рассеяние, отражение, преломление, поляризация света), проявляющихся при взаимодействии электромагнитного излучения с в-вом.

Классификация по изучаемым объектам: атомный и молекулярный спектральный анализ. По характеру взаимодействия электромагнитного излучения с в-ом. При этом различают следующие методы. Атомно-абсорбционный анализ, в основе которого лежит измерениепоглощения монохроматического излучения атомами определяемого в-ва в газовой фазе после атомизации в-ва. Эмиссионный спектральный анализ - измерение интенсивности света, излучаемого в-ом (чаще всего атомами или ионами) при его энергетическом возбуждении, например, в плазме электрического разряда. Пламенная фотометрия - использование газового пламени в качестве источника энергетического возбуждения излучения. Нефелометрия - измерение рассеивания света частицами света дисперсной системы (среды). Турбидиметрический анализ - измерение ослабления интенсивности излучения при его прохождении через дисперсную среду. Рефрактометрический анализ измерение показателей светопреломления в-в. Поляриметрический анализ измерение величины оптического вращения - угла вращения плоскости поляризации света оптически активными в-ми. По области используемого электромагнитного спектра классифицируют следующие методы: спектроскопия (спектрофотометрия) в УВИ области спектра, т. е. в ближайшей ультрафиолетовой области спектра - в интервале длин волн 200 - 400 нм и в видимой области - в интервале длин волн 400 - 700 нм. Инфракрасная спектроскопия, изучающая участок электромагнитного спектра в интервале 0,76 - 1000 мкм (1 мкм=10 -6 м), реже рентгеновская и микроволновая спектроскопия. По природе энергетических переходов в различных спектрах - электронных (изменение энергии электронных состояний атомов, ионов, радикалов, молекул, кристаллов в УВИ области); колебательных (при изменении энергии колебательных состояний 2-х и многоатомных ионов, радикалов, молекул, а также жидких и твердых фаз в ИК области); вращательных также в ИК и микроволновой области. Т.о. взаимодействие между молекулами и электромагнитным излучением заключается в том, что путем поглощения электромагнитного излучения молекулы переходят в возбужденное состояние. При этом важную роль играет энергия, т. е. длина волны поглощенного излучения.

Так, в рентгеновских лучах, длина волны которых 0,05 - 5 нм, происходит процесс возбуждения внутренних электронов в атомах и молекулах; в ультрафиолетовых лучах (5 - 400 нм) происходит процесс возбуждения внешних электронов в атомах и молекулах; видимый свет (400 - 700 нм) происходит возбуждение внешних электронов в сопряженных р-электронных системах; инфракрасное излучение (700 нм - 500 мк) происходит процесс возбуждения колебаний молекул; микроволны (500 мк - 30 см) процесс возбуждения вращения молекул; радиоволны (более 30 см) процесс возбуждения спиновых переходов в атомных ядрах (ядерный магнитный резонанс). Поглощение излучений позволяет в спектрометрии их измерять и регистрировать. При этом падающее излучение делится на эталонное и измеряемое при одинаковой интенсивности. Измеряемое излучение проходит через пробу; при этом происходит поглощение, изменяется интенсивность. При поглощении энергии электромагнитного излучения частицы в-ва (атомы, молекулы, ионы) увеличивают свою энергию, т. е. переходят в более высоколежащее энергетическое состояние. Электронные, колебательные, вращательные энергетические состояния частиц в-ва могут изменяться лишь дискретно, на строго определенную величину. Для каждой частицы существует индивидуальный набор энергетических состояний - энергетических уровней (термов), например, электронных уровней энергии. Электронные энергетические уровни молекул и многоатомных ионов имеют тонкую структуру - колебательные подуровни; поэтому одновременно с чисто электронными переходами осуществляются и колебательные переходы.

Каждому электронному (электронно-колебательному) переходу с нижнего энергетического уровня на более высоко лежащий электронный уровень отвечает полоса в электронном спектре поглощения. Так как разность между электронными уровнями для каждой частицы (атома, иона, молекулы) строго определенна, то строго определенным является и положение полосы в электронном спектре поглощения, соответствующей тому или иному электронному переходу, т. е. длина волны (частота, волновое число) максимума полосы поглощения. Различия в интенсивности измеряются детектором и записываются на самописце в виде сигнала (пика), стр 318, химия, справочник школьника и студента, схема спектрометра. Ультрафиолетовая спектроскопия и абсорбционная спектроскопия в видимой области. Поглощение электромагнитного излучения из ультрафиолетовой и видимой части спектра; возбуждает переходы электронов в молекулах с занятых на незанятые энергетические уровни. Чем больше разность в энергии между энергетическими уровнями, тем большую энергию, т.е. более короткую длину волны, должно иметь излучение. Часть молекулы, которая в значительной части определяет поглощение света, называется хромофором (буквально, несущие цвет) - это атомные группы, влияющие на поглощение света молекулой, в особенности сопряженные и ароматические системы р-электронов.

Структурные элементы хромофоров в основном и участвуют в поглощении кванта световой энергии, что приводит к появлению полос в сравнительно узком участке спектра поглощения соединений. Практическое значение для определения строения органических молекул имеет область от 200 до 700 нм. Количественное измерение: наряду с положением максимума поглощения для анализа важно значение экстинкции (ослабления) излучения, т. е. интенсивности его поглощения. В соответствии с законом Ламберта - Бера Е=lgI 0 /I=еcd, Е - экстинкция, I 0 - интенсивность падающего света, I - интенсивность проходящего света, е - молярный коэффициент экстинкции, см 2 /моль, c - концентрация, моль/л, d - толщина слоя пробы, см. Экстинкция зависит от концентрации поглощающего в-ва. Методы абсорбционного анализа колориметрия, фотоэлектроколориметрия, спектрометрия. Колориметрия самый простой и старый метод анализа, основан на визуальном сравнении окраски жидкостей (определение рН почвы на приборе Алямовского) - самый простой метод сравнения с серией эталонных р-ов. Широко распространены 3-и метода колориметрии: метод стандартных серий (метод шкалы), метод уравнивания окрасок и метод разбавления. Используются стеклянные колориметрические пробирки, стеклянные бюретки, колориметры, фотометры. Метод шкалы - это определение рН на приборе Алямовского, т. е. серия пробирок с различной конц-ей в-ва и разная по изменению интенсивности цвета р-ра или эталонных р-ов. Фотоколориметрия - метод основан на измерении интенсивности немонохроматического светового потока, прошедшего через анализируемый р-р с помощью фотоэлементов.

Световой поток от источника излучения (лампы накаливания) проходит через светофильтр, пропускающий излучение лишь в определенном интервале длин волн, через кювету с анализируемым р-ом и попадает на фотоэлемент, преобразующий световую энергию в фототок, регистрируемый соответствующим прибором. Чем больше светопоглощение анализируемого р-ра (т. е. чем выше его оптическая плотность), тем меньше энергия светового потока, попадающего на фотоэлемент. ФЭКи снабжаются н-ми светофильтрами, имеющими максимум светопропускания при различных длинах волн. При наличии 2-х фотоэлементов происходит измерение 2-х световых потоков, одного через анализируемый р-р, другого через р-р сравнения. Концентрацию исследуемого в-ва находят по градуировочному графику.

Электрохимические методы анализа основаны на электродных реакциях и на переносе электричества через р-ры. В количественном анализе используется зависимость величин измеряемых параметров электрохимических процессов (разность электрических потенциалов, ток, кол-во электричества) от сод-ия определяемого в-ва в р-ре, участвующего в данном электрохимическом процессе. Электрохимические процессы - такие процессы, которые сопровождаются одновременным протеканием химических реакций и изменением электрических св-в системы, которую в подобных случаях можно наз-ать электрохимической системой. Основные принципы потенциометрии

Как следует из названия метода - в нем измеряется потенциал. Для пояснения, что за потенциал и почему он возникает, рассмотрим систему состоящую из металлической пластины и находящегося с ней в контакте раствора, содержащего ионы того же металла (электролит) (рис. 1). Такая система называется электродом. Любая система стремится к такому состоянию, которое отвечает минимуму ее внутренней энергии. Поэтому в первый момент после погружения металла в раствор на границе раздела фаз начинают протекать процессы, ведущие к снижению внутренней энергии системы. Предположим, что ионизированное состояние атома металла энергетически более «выгодно», чем нейтральное (возможен и обратный вариант). Тогда в первый момент времени атомы металла будут переходить из поверхностного слоя пластины в раствор, оставляя в ней свои валентные электроны. При этом поверхность пластины приобретает отрицательный заряд, причем этот заряд растет по мере увеличения количества атомов металла, перешедших в виде ионов в раствор. Электростатические силы притяжения разноименных зарядов (отрицательнозаряженные электроны в пластине и положительные ионы металла в растворе) не позволяют удалиться этим зарядам от границы раздела фаз, а также вызывают обратный процесс перехода ионов металла из раствора в металлическую фазу и восстановления их там. Когда скорости прямого и обратного процессов становятся одинаковыми, наступает равновесие. Состояние равновесия системы характеризуется разделением зарядов на границе раздела фаз, т. е. появляется «скачок» потенциала. Следует отметить, что описанный механизм возникновения электродного потенциала является не единственным, в реальных системах протекает также множество других процессов, приводящих к образованию «скачка» потенциалов на межфазовой границе. Кроме того, «скачок» потенциала может возникать на границе раздела фаз не только при контакте электролита с металлом, но и при контакте электролита с другими материалами, например, полупроводниками, ионообменными смолами, стеклами и т. д.

При этом ионы, концентрация которых влияет на потенциал электрода называются потенциалопределяющими. Потенциал электрода зависит от природы материала, контактирующего с электролитом, концентрации потенциалопределяющих ионов в растворе и температуры. Этот потенциал измеряется относительно другого электрода, потенциал которого постоянен. Т. о., установив эту связь, возможно использовать ее в аналитической практике для определения концентрации ионов в растворе. При этом электрод, потенциал которого измеряется, носит название измерительный, а электрод, относительно которого производятся измерения - вспомогательный или электрод сравнения. Постоянство потенциала электродов сравнения достигается постоянством концентрации потенциалопределяющих ионов в его электролите (электролит №1). Состав электролита №2 может меняться. Для предотвращения смешивания двух разных электролитов они разделяются мембраной, проницаемой для ионов. Потенциал измерительного электрода принимается равным измеренной э.д.с., приведенной электрохимической системы. Применяя в качестве электролита №2, растворы известного состава можно установить зависимость потенциала измерительного электрода от концентрации потенциалоопределяющих ионов. Эта зависимость в дальнейшем может быть использована при анализе раствора неизвестной концентрации.

Для стандартизации шкалы потенциалов в качестве электрода сравнения принят стандартный водородный электрод, потенциал которого принят равным нулю при любой температуре. Однако при обычных измерениях водородный электрод применяется редко из-за своей громоздскости. В повседневной практике применяют другие более простые электроды сравнения, потенциал которых относительно водородного электрода определен. Поэтому, при необходимости, результат измерения потенциала, проведенного относительно таких электродов, может быть пересчитан относительно водородного электрода. Наиболее широко распространенными являются хлорсеребряный и каломельный электроды сравнения. Разность потенциалов измерительного электрода и электрода сравнения является мерой концентрации определяемых ионов.

Электродную функцию можно описать с помощью линейного уравнения Нернста:

Е = Е 0 + 2,3 RT/nF *lg а,

где Е - разность потенциалов между измерительным электродом и электродом сравнения, мВ; Е 0 - константа, зависящая в основном от свойств электрода сравнения (стандартный потенциал электрода), мВ; R - газовая постоянная, Дж*моль -1 * К -1. ; n - заряд иона с учетом его знака; F - число Фарадея, Кл/моль; Т - абсолютная температура, 0 К; член 2,3 RT/nF, входящий в уравнение Нернста при 25 0 С равен 59,16 мВ для однозарядных ионов. Метод без наложения внешнего (постороннего) потенциала классифицируется как метод, основанный на учете природы источника электрической энергии в системе. В этом методе источником эл.эн. служит сама элек-хим-ая система, представляющая собой гальванический элемент (гальваническую цепь) - потенциометрические методы. ЭДС и электродные потенциалы в такой системе зависят от сод-ия определяемого в-ва в р-ре. Электрохимическая ячейка включает 2-ва электрода - индикаторный и электрод сравнения. Величина ЭДС, генерируемой в ячейке, равна разности потенциалов этих 2-х электродов.

Потенциал электрода сравнения в условиях проведения потенциометрического определения остается постоянным, то ЭДС зависит только от потенциала индикаторного электрода, т. е. от активностей (концентраций) тех или иных ионов в р-ре. На этом и основано потенциометрическое определение концентрации данного в-ва в анал-ом р-ре. Применяют как прямую потенциометрию, так и метод потенциометрического титрования. При определении рН р-ов в кач-ве индикаторных используются электроды потенциал которых зависит от конц-ии ионов водорода: стеклянный, водородный, хингидронный (окислительно-восстановительный электрод в виде платиновой проволоки, погруженной в р-р НС1, насыщенной хингидроном - эквимолекулярным соединением хинона с гидрохиноном) и нек-ые др. Мембранные или ион-селективные электроды имеют реальный потенциал, зависящий от активности тех ионов в р-ре, кот-ые сорбируются мембраной электрода (твердой или жидкой) метод наз-ся ионометрией.

Спектрофотометрами наз-ют приборы, позволяющие производить измерения светопоглощения образцов в узких по спектральному составу пучках света (монохроматический свет). Спектрофотметры позволяют разлагать белый свет в непрерывный спектр, выделять из этого спектра узкий интервал длин волн (1 - 20 нм ширина выделяемой полосы спектра), пропускать изолированный пучок света через анализируемый р-р и измерять с высокой точностью интенсивность этого пучка. Поглощение света окрашенным в-ом в р-ре измеряют, сравнивая его с поглощением нулевого р-ра. В спектрофотометре сочетаются два прибора: монохроматор для получения монохроматического светового потока и фотоэлектрический фотометр, предназначенный для измерения интенсивности света. Монохроматор состоит из источника света, диспергирующего устройства (разлагающего белый свет в спектр) и устройства регулирующего величину интервала длин волн светового пучка, падающего на р-р.

Из разнообразных физико-химических и физических методов анализа наибольшее значение имеют 2-ве группы методов: 1 - методы, основанные на изучении спектральных характеристик в-ва; 2 - методы, основанные на изучении физико-химических параметров. Спектральные методы основаны на явлениях, происходящих при взаимодействии вещества с различными видами энергии (электромагнитным излучением, термической энергией, электрической и пр.). К основным видам взаимодействия в-ва с лучистой энергией относится поглощение и испускание (эмиссия) излучения. Характер явлений, обусловленных поглощением или испусканием, в принципе одинаков. При взаимодействии излучения с в-вом частицы его (атомы молекулы) переходят в возбужденное состояние. Через некоторое время (10 -8 с) частицы возвращаются в основное состояние, испуская избыточную энергию в виде электромагнитного излучения. Эти процессы связаны с электронными переходами в атоме или молекуле.

Электромагнитное излучение можно охарактеризовать длиной волныл или частотой н, которые связаны между собой соотношением н=с/л, где с - скорость света в вакууме (2,29810 8 м/с). Совокупность всех длин волн (частот) электромагнитного излучения составляет электромагнитный спектр от г-лучей (коротковолновая область, фотоны обладают высокой энергией) до видимой области спектра (400 - 700 нм) и радиоволн (длинноволновая область, фотоны с низкой энергией).

На практике имеют дело с излучением, характеризующимся определенным интервалом длин волн (частот), т. е. с определенным участком спектра (или, как говорят, с полосой излучения). Часто для аналитических целей используется и монохроматический свет (световой поток, в котором электромагнитные волны имеют одну длину волны). Избирательное поглощение атомами и молекулами излучения с определенными длинами волн приводит к тому, что каждое в-во характеризуется индивидуальными спектральными характеристиками.

Для аналитических целей используют как поглощение излучения атомами и молекулами (соответственно атомно- абсорбционная спектроскопия), так и испускание излучения атомами и молекулами (эмиссионная спектроскопия и люминесценция).

Спектрофотометрия основана на избирательном поглощении электромагнитного излучения в-вом. Измеряя поглощение в-вом излучения различных длин волн, можно получить спектр поглощения, т. е. зависимость поглощения от длины волны падающего света. Спектр поглощения - это качественная характеристика в-ва. Количественной характеристикой является количество поглощенной энергии или оптическая плотность раствора, которая зависит от концентрации поглощающего в-ва по закону Бугера-Ламберта-Бера: D=еІс, где D - оптическая плотность, i - толщина слоя; с - концентрация, моль/л; е - молярный коэффициент поглощения (е = D при І=1 см и с=1 моль/л). Величина е служит характеристикой чувствительности: чем больше значение е, тем меньшие количества в-ва можно определить. Многие в-ва (особенно органические) интенсивно поглощают излучение в УФ- и видимой областях, что делает возможным их непосредственное определение. Большинство ионов, наоборот, слабо поглощают излучение видимой области спектра (е? 10…1000), поэтому их обычно переводят в другие, более интенсивно поглощающие соединения, а затем проводят измерения. Для измерения поглощения (оптической плотности) используют спектральные приборы 2-х видов: фотоэлектроколориметры (с грубой монохроматизацией) и спектрофотометры (с более тонкой монохроматизацией). Наиболее распространенным является фотометрический метод анализа, количественные определения в котором основаны на законе Бугера-Ламберта-Бера. Основными приемами фотометрических измерений являются: метод молярного коэффициента светопоглощения, метод градуировочного графика, метод стандартов (метод сравнения), метод добавок. В методе молярного коэффициента светопоглощения измеряют оптическую плотность D исследуемого р-ра и по известному значению молярного коэффициента светопоглощения е рассчитывают концентрацию с поглощающего в-ва в растворе: с = D/(е І). В методе градуировочного графика готовят ряд стандартных растворов с известным значением концентрации с определяемого компонента и определяют их значение оптической плотности D.

По полученным данным строят градуировочный график - зависимость оптической плотности раствора от концентрации в-ва: D = f(с). В соответствии с законом Бухера-Ламберта-Бера график представляет собой прямую линию. Затем измеряют оптическую плотность D исследуемого раствора и по градуировочному графику определяют концентрацию определяемого соединения. Метод сравнения (стандартов) основан на сравнении оптической плотности стандартного и исследуемого растворов:

D ст =е*І*с ст и D х = е*І*с х,

откуда D х / D ст =е*І*с х /е*І*с ст и с х =с ст *D х /Dст. В методе добавок сравниваются значения оптической плотности исследуемого раствора и того же раствора с добавлением (с а) известного количества определяемого компонента. По результатам определений рассчитывают концентрацию в-ва в исследуемом растворе: D х = е*І*с х и D х+а = е*І*(с х +с а), откуда D х /D х+а = е*І*с х /е*І*(с х +с а) и с х =с а * D х /D х+а - D х. .

Атомно-абсорбционная спектроскопия основана на избирательном поглощении излучения атомами. Для переведения вещества в атомарное состояние раствор образца впрыскивают в пламя или подогревают в специальной кювете. В результате растворитель улетучивается или сгорает, а твердое в-во атомизируется. Большая часть атомов остается в невозбужденном состоянии, и лишь небольшая часть возбуждается с последующим испусканием излучения. Набор линий, соответствующий длинам волн поглощаемого излучения, т. е. спектр, является качественной характеристикой, а интенсивность этих линий - соответственно количественной характеристикой в-ва.

Атомно-эмиссионная спектроскопия основана на измерении интенсивности света, излучаемого возбужденными атомами. Источниками возбуждения могут быть пламя, искровый разряд, электрическая дуга и др. Для получения спектров испускания пробу в виде порошка или раствора вводят в источник возбуждения, где происходит переход в-ва в газообразное состояние или частичный распад его на атомы и простые (по составу) молекулы. Качественной характеристикой в-ва является его спектр (т. е. набор линий в спектре испускания), а количественной - интенсивность этих линий.

Люминесценция основана на испускании излучения возбужденными молекулами (атомами, ионами) при переходе их в основное состояние. Источниками возбуждения при этом могут быть ультрафиолетовое и видимое излучение, катодные лучи, энергия химической реакции и пр. Энергия излучения (люминесценции) всегда меньше поглощенной энергии, т. к. часть поглощенной энергии еще до начала испускания преобразуется в тепловую. Следовательно, люминесцентное испускание всегда имеет меньшую длину волны, чем длина волны поглощенного при возбуждении света. Люминесценция может использоваться как для обнаружения в-в (по длине волны), так и для их количественного определения (по интенсивности излучения). Электрохимические методы анализа основаны на взаимодействии в-ва с электрическим током. Протекающие при этом процессы локализованы либо на электродах, либо в приэлектродном пространстве. Большинство методов относятся к первому из этих типов. Потенциометрия. Электродным процессом называется гетерогенная реакция, при которой заряженная частица (ион, электрон) переносится через границу раздела фаз. В рез-те такого переноса на пов-ти электрода возникает разность потенциалов, обусловленная образованием двойного электрического слоя. Как всякий процесс, электродная реакция с течением времени приходит к равновесию, и на электроде устанавливается равновесный потенциал.

Измерение величин равновесных электродных потенциалов является задачей потенциометрического метода анализа. Измерения при этом проводят в электрохимической ячейке состоящей из 2-х полуэлементов. Одиг из них содержит индикаторный электрод (потенциал которого зависит от концентрации определяемых ионов в растворе в соответствии с уравнением Нернста), а другой - электрод сравнения (потенциал которого постоянен и не зависит от состава раствора). Метод может быть реализован в варианте прямой потенциометрии или в варианте потенциометрического титрования. В первом случае измеряют потенциал индикаторного электрода в анализируемом растворе относительно электрода сравнения и по уравнению Нернста рассчитывают концентрацию определяемого иона. В варианте потенциометрического титрования определяемый ион титруют подходящим реагентом, следя одновременно за изменением потенциала индикаторного электрода. По полученным данным строят кривую титрования (зависимость потенциала индикаторного электрода от объема прибавленного титранта). На кривой вблизи точки эквивалентности наблюдается резкое изменение значения потенциала (скачок потенциала) индикаторного электрода, что позволяет рассчитать содержание определяемого иона в растворе. Электродные процессы очень многообразны. В целом их можно классифицировать на 2-ве большие группы: процессы, происходящие с переносом электронов (т. е. собственно электрохимические процессы), и процессы, связанные с переносом ионов(при этом электроду присуща ионная проводимость). В последнем случае речь идет о так называемых ионселективных мембранных электродах, широко применяемых в настоящее время. Потенциал такого электрода в растворе, содержащем определяемые ионы, зависит от их концентрации по уравнению Нернста. К этому же типу электродов относится и стеклянный электрод, применяемый в рН-метрии. Возможность создания большого числа мембранных электродов с высокой селективностью к тем или иным ионам выделила эту область потенциометрического анализа в самостоятельную отрасль - ионометрию.

Полярография. При прохождении тока в электрохимической ячейке наблюдается отклонение величин электродных потенциалов от их равновесных значений. В силу ряда причин возникает так называемая электродная поляризация. Явление поляризации, возникающей в процессе электролиза на электроде с малой поверхностью, лежит в основе данного метода анализа. В этом методе к электродам, опущенным в исследуемый раствор, прикладывают возрастающую разность потенциалов. При малой величине разности потенциалов ток через раствор практически не идет (т. н. остаточный ток). При увеличении разности потенциалов до величины, достаточной для разложения электролита, сила тока резко возрастает. Эту величину разности потенциалов называют потенциалом разложения. Измеряя зависимость силы тока, проходящего через раствор, от величины приложенного напряжения, можно построить т. н. вольтамперную кривую, которая позволяет с достаточной точностью определить качественный и количественный состав раствора. При этом качественной характеристикой в-ва является величина разности потенциалов, достаточная для его электрохимического разложения (потенциал полуволны Е S), а количественной - величина прироста силы тока, обусловленная его электрохимическим разложением в растворе (высота длины волны Н, или различие в величинах предельного диффузионного тока и остаточного тока). Для количественного определения концентрации в-ва в растворе используют следующие приемы: метод градуировочного графика, метод стандартов, метод добавок. Кондуктометрический метод анализа основан на зависимости электропроводности раствора от концентрации электролита. Применяется, как правило, в варианте кондуктометрического титрования, точку эквивалентности в котором определяют по перегибу кривой титрования (зависимости электропроводности от количества прибавленного титранта). Амперометрическое титрование является разновидностью потенциометрического титрования, только индикаторным электродом является полярографическое устройство, т.е. применяется микроэлектрод с наложенным напряжением.

Т.Н.ОРКИНА

ХИМИЧЕСКИЙ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Учебное пособие

Оркина Т. Н. Химия. Химический и физико-химический анализ. Учебное пособие / СПб.: Изд-во Политехнического Ун-та, 2012. – 45с.

В пособии представлены цели и задачи современной аналитической химии - химических, физико-химических и физических методов анализа.

Подробно изложены методики проведения качественного и количественного анализа. Дается описание лабораторных работ по качественному анализу растворов и металлических сплавов, а также расчеты и методика проведения титриметрического (объемного) анализа. Рассмотрены основы физико-

химического анализа - построение фазовых диаграмм, термический анализ металлических сплавов и построение диаграмм плавкости.

Пособие соответствует образовательному стандарту дисциплин «Химия» и «Неорганическая химия» и предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по различным направлениям и специальностям в области техники и технологии по направлению

«Материаловедение», «Металлургия» и другим. Пособие может быть полезно для студентов, обучающихся по любым техническим специальностям в рамках дисциплины «Химия».

ВВЕДЕНИЕ

Аналитическая химия – это раздел химии, изучающий свойства и процессы превращения веществ с целью установления их химического состава. Установление химического состава веществ (химическая идентификация) – это ответ на вопрос о том, какие элементы или их соединения и в каких количественных соотношениях содержаться в анализируемом образце. Аналитическая химия развивает теоретические основы химического анализа веществ и материалов, разрабатывает методы идентификации, обнаружения, разделения и определения химических элементов и их соединений, а также методы установления строения вещества. Обнаружение или, как говорят, открытие элементов или ионов, входящих в состав исследуемого вещества, составляют предмет качественного анализа . Определение концентраций или количества химических веществ, входящих в состав анализируемых объектов, составляет задачу количественного анализа . Качественный анализ обычно предшествует количественному анализу, так как для выполнения количественного анализа требуется знать качественный состав анализируемого образца. Когда состав изучаемого объекта известен заранее, качественный анализ проводят по мере необходимости.

1. МЕТОДЫ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Для обнаружения какого-либо компонента обычно используют так называемый аналитический сигнал. А налитический сигнал – это видимые изменения в самом объекте исследования (образование осадка, изменение окраски и т.д.) или изменение параметров измерительных приборов

(отклонение стрелки прибора, изменение цифрового отсчета, появление линии в спектре и пр.). Для получения аналитического сигнала используют химические реакции разных типов (ионообменные, комплексообразования, окислительно-восстановительные), различные процессы (например,

осаждение, выделение газов), а также разнообразные химические, физические и биологические свойства самих веществ и продуктов их реакций. Поэтому

аналитическая химия располагает различными методами для решения своих задач.

Химические методы (химический анализ) основаны на проведении химической реакции между изучаемым образцом и специально подобранными реактивами. В химических методах аналитический сигнал, возникающий в результате химической реакции, наблюдают, главным образом, визуально.

Физико-химические методы анализа основаны на количественном изучении зависимости состав – физическое свойство объекта. Аналитическим сигналом служит электрический потенциал, сила тока,

сопротивление и др., или любой другой параметр (температура фазовых превращений, твердость, плотность, вязкость, давление насыщенного пара и т.п.), связанный определенной функциональной зависимостью с составом и концентрацией объекта исследования. Физико-химические методы исследования обычно требуют применения высокочувствительной аппаратуры. Достоинствами этих методов являются их объективность,

возможность автоматизации и быстрота получения результатов. Примером физико-химического метода анализа является потенциометрическое определение рН раствора с помощью измерительных приборов - потенциометров. Этот метод позволяет не только измерять, но и непрерывно следить за изменением рН при протекании в растворах каких-либо процессов.

В физических методах анализа аналитический сигнал, как правило,

получают и регистрируют с помощью специальной аппаратуры. К физическим методам, прежде всего, относятся оптические спектроскопические методы анализа, основанные на способности атомов и молекул испускать, поглощать и рассеивать электромагнитное излучение.

Регистрируя испускание, поглощение или рассеяние электромагнитных волн анализируемым образцом, получают совокупность сигналов,

характеризующих ее качественный и количественный состав.

Между всеми тремя методами нет резкой границы, поэтому это деление несколько условно. Например, в химических методах пробу подвергают сначала действию какого-либо реагента, т.е. проводят определенную химическую реакцию, и только после этого наблюдают и измеряют физическое свойство. При анализе физическими методами наблюдение и измерение выполняют непосредственно с анализируемым материалом, используя специальную аппаратуру, причем химические реакции, если они проводятся, играют вспомогательную роль. В соответствии с этим в

химических методах анализа главное внимание уделяют правильному выполнению химической реакции, в то время как в физико-химических и физических методах основной упор делается на соответствующее аппаратурное обеспечение измерения – определение физического свойства.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-

ХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Химические и физико-химические методы анализа классифицируют в зависимости от массы и объема анализируемых проб. По количеству вещества или смеси веществ (пробы), используемого для анализа, различают макро-, полумикро-, субмикро-, и ультрамикроанализ. В таблице 1 приведены диапазоны массы и объема растворов пробы, рекомендуемые отделением аналитической химии ИЮПАК (аббревиатура с английского Международного союза теоретической и прикладной химии).

		Таблица 1
Вид анализа	Масса пробы,г
		раствора, мл
Макроанализ		10-103
Полумикроанализ		10-1 – 10
Микроанализ		10-2 – 1
Субмикроанализ	10-4 – 10-3	менее 10-2
Ультрамикроанализ	менее 10-4	менее 10-3

В зависимости от характера поставленной задачи различают следующие виды анализа.

1 . Элементный анализ – установление наличия и содержания отдельных элементов в данном веществе, т.е. нахождение его элементного состава.

2 . Фазовый анализ – установление наличия и содержания отдельных фаз исследуемого материала. Например, углерод в стали может находиться в виде графита или в форме карбидов железа. Задача фазового анализа – найти, сколько углерода содержится в виде графита и сколько в виде карбидов.

3 . Молекулярный анализ (вещественный анализ) - установление наличия и содержания молекул различных веществ (соединений) в материале.

Например, в атмосфере определяют количество CO, CO2 , N2 , O2 др. газы.

4 . Функциональный анализ – установление наличия и содержания функциональных групп в молекулах органических соединений, например аминогрупп (-NH2 ), нитро(-NO2 ), гидроксильных (-ОН) и других групп.

В зависимости от характера анализируемого материала различают

анализ неорганических и органических веществ. Выделение анализа органических веществ в отдельный раздел аналитической химии связано с особенностями органических веществ. Даже первый этап анализа – переведение пробы в раствор - существенным образом различается для органических и неорганических веществ.

Основными этапами любого химического анализа сложных

материалов являются следующие действия.

1. Отбор пробы для анализа. Средний состав пробы должен соответствовать среднему составу всей партии анализируемого материала.

2. Разложение пробы и переведение ее в раствор. Пробу растворяют в воде или кислотах, сплавляют с различными веществами или используют другие способы или химические воздействия.

	Проведение химической реакции:							Р, где Х –
компонент пробы; R – реагент; Р – продукт реакции.
	Фиксация		измерение	какого-либо физического параметра
продукта реакции, реагента или определяемого вещества.
Рассмотрим			подробно			химического		анализа –

качественный и количественный анализ.

3. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

Задачей качественного анализа является идентификация компонентов и определение качественного состава вещества или смеси веществ. Обнаружение или, как говорят, открытие элементов или ионов в составе исследуемого вещества производят, переводя их в соединение, обладающее какими-либо характерными свойствами, т. е. фиксируют появление аналитического сигнала. Происходящие при этом химические превращения называются аналитической реакцией. Вещество, с помощью которого проводят открытие – реактивом или реагентом.

Существуют разные приемы качественного анализа, требующие применения различных количеств исследуемого вещества в соответствии с таблицей 1. Например: в макроаналитическом методе берут около 1г вещества (0,5 г для металлов и сплавов) и растворяют в 20-30 мл воды.

Реакции проводят в пробирках (пробирочный анализ). В случае проведения микроанализа веществ берут примерно в 100 раз меньше по сравнению с макроанализом (миллиграммы твердого вещества и несколько десятых миллилитров раствора). Для открытия отдельных частей применяют высокочувствительные реакции, позволяющие обнаружить присутствие малых количеств элемента или иона. Выполнение реакций производят либо микрокристаллическим, либо капельным методом. Микрокристаллические реакции выполняют на предметном стекле и о присутствии элемента судят по форме образующихся кристаллов, которые рассматривают под микроскопом. Капельные реакции , сопровождающиеся изменением окраски раствора и образованием окрашенных осадков, выполняют на полоске фильтровальной бумаги, нанося на нее по капле исследуемые растворы и реактивы. Иногда капельные реакции проводят на специальной «капельной пластинке» - фарфоровой пластинке с углублениями, а также на часовом стекле или в фарфоровом тигле малого размера. Полумикроананализ (полумикрометод)

занимает промежуточное положение между макро- и микроанализом.

Необходимое для исследования состава количество вещества, примерно 20-25 раз меньше, чем при проведении макроанализа – около 50мг твердого вещества и 1мл раствора. В данном методе сохраняется система макроанализа и открытия ионов, но все реакции выполняют с малыми количествами вещества, пользуясь специальной техникой и аппаратурой. Например, реакции проводят в маленьких пробирках на 1-2мл, в которые растворы вводят с помощью пипеток. Отделение осадков производят только центрифугированием. Субмикроанализ и ультрамикроанализ проводятся по специальным методикам с использованием микроскопов разной степени увеличения, электронных микроскопов и другой аппаратуры. Их рассмотрение не входит в задачу данного пособия.

В качественном анализе химические реакции проводят чаще всего в растворе, так называемым «мокрым путем». Но иногда возможно проведение твердофазных реакций, т.е. реакций «сухим путем» . Вещество и соответствующие реактивы берут в твердом виде и для проведения реакций нагревают до высокой температуры. Примером таких реакций могут служить реакции окрашивания пламени солями некоторых металлов. Известно, что

соли натрия окрашивают пламя в ярко-желтый цвет, соли калия – в фиолетовый, соли меди – в зеленый. По этой окраске можно обнаружить присутствие указанных элементов в исследуемом веществе. К реакциям «сухим путем» относятся также реакции образования окрашенных перлов – стеклообразных сплавов различных солей . Например буры – Na2 B4 O7

·10H2 O или перлов двойной соли NaNH4 HPO4 · 4Н2 О. Эти методы называются пирохимическими и широко используются для определения минералов и горных пород. Но в основном, в качественном анализе реакции проводятся

«мокрым путем» между растворенными веществами.

3.1. Методика проведения качественного анализа

Первый этап любого анализа состоит в переведении пробы в раствор с помощью различных растворителей. При анализе неорганических веществ в качестве растворителей чаще всего используются вода, водные растворы кислот, щелочей, реже - других неорганических веществ. Затем проводят характерные реакции открытия ионов. Качественные реакций открытия

ионов – это химические реакции, которые сопровождаются внешним эффектом (изменение окраски раствора, выделение газа, образование осадка), на основании которого можно судить, что реакция имеет место.

Чаще всего имеют дело с водными растворами солей, кислот, оснований, между которыми протекают ионообменные реакции (реже – окислительно-

восстановительные).

Та или иная аналитическая реакция должна выполняться в определенных условиях, зависящих от свойств образующихся соединений. При несоблюдении этих условий результаты открытия ионов могут оказаться недостоверными. Например, осадки, растворимые в кислотах, не выпадают из раствора при избытке кислоты. Поэтому необходимо соблюдать следующие

условия проведения реакций.

1.Надлежащая среда исследуемого раствора, которая создается прибавлением кислоты или щелочи.

2.Определенная температура раствора. Например, реакции образования осадков, растворимость которых сильно возрастает с температурой, проводят на «холоду». Наоборот, если реакция протекает чрезвычайно медленно,

требуется нагревание.

3.Достаточно высокая концентрация открываемого иона, так как при малых концентрациях реакция не проходит, т.е. реакция малочувствительна.

Понятие «чувствительность реакции» количественно характеризуется двумя показателями: открываемый минимум и предельное разбавление. Для экспериментального определения чувствительности реакцию многократно повторяют с исследуемыми растворами, постепенно уменьшая количество растворенного вещества и объем растворителя. Открываемый минимум (Υ) – это наименьшее количество вещества, которое может быть открыто посредством данной реакции при определенных условиях ее выполнения. Выражают в микрограммах (1Υ - миллионные доли грамма, 10-6 г). Открываемый минимум не может полностью характеризовать чувствительность реакции, так как имеет значение концентрация открываемого иона в растворе. Предельное разбавление (1:G ) характеризует наименьшую концентрацию вещества (иона), при которой его можно открыть посредством данной реакции; где G – массовое количество растворителя, приходящееся на единицу массы открываемого вещества или иона. В

макроанализе и полумикрометоде применяют те реакции, чувствительность которых превышает 50Υ, а предельное разбавление 1: 1000.

При выполнении аналитических реакций следует учитывать не только чувствительность, но и специфичность реакции – возможность открытия данного иона в присутствии других ионов. Открытие ионов посредством

специфических реакций, производимое в отдельных порциях исследуемого

раствора в произвольной последовательности, называется дробным анализом. Но специфических реакций не так много. Чаще приходится иметь дело с реактивами, дающими одинаковый или сходный эффект реакции со многими ионами. Например, хлорид бария осаждает из раствора карбонат- и

сульфатионы в виде осадков ВаСО3 и ВаSO4 . Реактивы, дающие

одинаковый аналитический сигнал с ограниченным числом ионов,

называются избирательными или селективными. Чем меньше число ионов, открываемых данным реактивом, тем выше степень селективности реактива.

Иногда посторонние ионы не реагируют с данным реактивом, но уменьшают чувствительность реакции или изменяют характер образующихся продуктов. В этом случае надо учитывать предельное соотношение концентраций открываемого и постороннего ионов, а также использовать маскирующие средства (приемы или реактивы). Мешающий ион переводят в малодиссоциирующие соединения или комплексные ионы, его концентрация в растворе понижается, и этот ион уже не препятствует открытию анализируемых ионов. Все выше перечисленные особенности и приемы

используются при разработке последовательности проведения химических реакций в процессе анализа. Если реакции, используемые при анализе,

неспецифичны, и мешающее влияние посторонних ионов устранить нельзя, то применение дробного метода становиться невозможным и прибегают к

систематическому ходу анализа.

Систематический ход анализа – это определенная последовательность реакций, разработанная с таким расчетом, чтобы открытие каждого иона производилось лишь после открытия и удаления всех мешающих этому открытию ионов. При систематическом ходе анализа из сложной смеси ионов производят выделение отдельных групп ионов, пользуясь сходным отношением их к действию некоторых реактивов, называемых групповым реагентом. Например, одним из групповых реагентов является хлорид натрия,

который производит сходное действие на ионы Ag+ , Pb2+ , Hg2 2+ . Действие хлорида натрия на растворимые соли, содержащие эти катионы, приводит к образованию осадков, нерастворимых в хлороводородной кислоте:

Ag+ + Cl- = AgCl↓

Pb2 + Cl- = PbCl2 ↓

Hg2 2+ + 2Cl- = Hg2 Cl2 ↓

Все остальные ионы, если подействовать HCl, перейдут в раствор, а три катиона Ag+ , Pb2+ и Hg2 2+ будут отделены от других с помощью группового реагента NaCl. Применение групповых реагентов представляет большие удобства: сложная задача распадается на ряд более простых. Кроме того,

если какая-либо группа ионов полностью отсутствует, то ее групповой реагент не даст с анализируемым раствором никакого осадка. В этом случае не имеет смысла проводить реакции на отдельные ионы этой группы. В результате достигается значительная экономия труда, времени и реактивов.

Из вышесказанного следует, что в качественном анализе в основу классификации ионов положено различие в растворимости некоторых образуемых ими соединений; на основании этого различия основан метод отделения одной группы ионов от другой. Основная классификация катионов была введена выдающимся русским химиком Н.А. Меншуткиным (1871г.).

В основу классификации анионов положена растворимость солей бария

и серебра в соответствующих кислотах. Эта классификация не является строго установленной, так как различные авторы подразделяют анионы на различное число групп. Один из самых распространенных вариантов – подразделение изучаемых анионов на три группы:

Анионы, образующие нерастворимые в воде соли бария;

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Издательство ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" М.И. ЛЕБЕДЕВА АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Лекции к курсу Тамбов Издательство ТГТУ 2005 УДК 543(075) ББК Г4я73-4 Л33 Рецензенты: Доктор химических наук, профессор А.Б. Килимник Кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической и физической химии ТГУ им. Г.Р. Державина А.И. Рягузов Лебедева, М.И. Л33 Аналитическая химия и физико-химические методы анализа: учеб. пособие / М.И. Лебедева. Там- бов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 216 с. Рассмотрены основные вопросы курса «Аналитическая химия и физико-химические методы ана- лиза». После изложения теоретического материала в каждой главе даны содержательные блоки по про- верке знаний с помощью тестовых заданий и приведен рейтинг оценки знаний. В третьем разделе каж- дой главы приведены решения наиболее сложных задач и их оценка в баллах. Предназначены для студентов нехимических специальностей (200401, 200402, 240202, 240802, 240902) и составлены в соответствии со стандартами и учебными программами. УДК 543(075) ББК Г4я73-4 ISBN 5-8265-0372-6 © Лебедева М.И., 2005 © Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), 2005 Учебное издание ЛЕБЕДЕВА Мария Ивановна АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА Лекции к курсу Редактор В.Н. Митрофанова Компьютерное макетирование Д.А. Лопуховой Подписано в печать 21.05.2005 Формат 60 × 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная Гарнитура Times New Roman. Объем: 12,55 усл. печ. л.; 12,50 уч.-изд. л. Тираж 200 экз. С. 571М Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета, 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14 ПРЕДИСЛОВИЕ Без анализа нет синтеза Ф. Энгельс Аналитическая химия – наука о способах идентификации химических соединений, о принципах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Особую актуальность аналитическая химия приобрела в настоящее время, поскольку основным фактором неблагоприятного антропогенного воздействия на природу являются химические загрязнения. Определение их концентрации в различных природных объектах становится важнейшей задачей. Зна- ния основ аналитической химии одинаково необходимо современному студенту, инженеру, преподава- телю, предпринимателю. Ограниченное количество учебников и учебных пособий по курсу «Аналитическая химия и физико- химические методы анализа» для студентов химического профиля и полное их отсутствие для специ- альностей «Стандартизация и сертификация», «Пищевая биотехнология», «Инженерная защита окру- жающей среды», а также мой многолетний опыт преподавания этой дисциплины в ТГТУ привели к не- обходимости составления и издания предлагаемого курса лекций. Предлагаемое издание состоит из одиннадцати глав, в каждой из которых выделены наиболее важ- ные теоретические вопросы, отражающие последовательность изложения материала в лекционном кур- се. I – V главы посвящены химическим (классическим) методам анализа, в VIII – X рассмотрены основ- ные физико-химические методы анализа, а XI глава посвящена органическим аналитическим реагентам. Изучение каждого раздела рекомендуется завершать решением соответствующего содержательного блока, расположенного в конце главы. Блоки заданий сформулированы в трех специальных формах. Теоретические задания с выбором ответов (тип А). К каждому теоретическому вопроса такого типа предлагаются по четыре привлекательных варианта ответов, только один из которых является верным. За любое правильно решенное задание типа А студент получает один балл. Задачи с выбором ответов (тип B)1 оцениваются в два балла. Они несложные и решаются практиче- ски в одно или несколько действий. Верный ответ выбирается из четырех предлагаемых вариантов. Задания с развернутым ответом (тип С)2 предлагают студенту записать ответ в развернутой форме и в зависимости от полноты решения и его правильности могут оцениваться от одного до пяти баллов. Максимальное количество баллов дается за полностью решенное задание и указывается в последней строке рейтинговой таблицы. Суммарное количество баллов, набранные по той или иной теме, являются показателем знаний сту- дента, уровень которых можно оценить в предлагаемой рейтинговой системе. Набранное количество баллов Оценка 32 – 40 Отлично 25 – 31 Хорошо 16 – 24 Удовлетворительно Меньше 16 Неудовлетворительно Автор выражает благодарность студентам Авсеевой А., Бусиной М., Зобниной Е., Кацуба Л., Поля- ковой Н., Тишкиной Э. (гр. ПБ-21), Поповой С. (гр. З-31), принимавшим активное участие в оформлении работы. 1 В некоторых главах могут отсутствовать 2 В некоторых главах могут отсутствовать «Аналитическая химия чутко реагирует на за- просы производства и черпает для себя в этом силу и импульсы для дальнейшего рос- та.» Н.С. Курнаков 1 АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ КАК НАУКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В решении крупнейших общечеловеческих проблем (проблема сырья, продовольствия, атомной энергетики, космонавтики, полупроводниковой и лазерной техники) ведущее место принадлежит ана- литической химии. Основой экологического мониторинга является совокупность различных химических наук, каждая из которых нуждается в результатах химического анализа, поскольку химическое загрязнение – основ- ной фактор неблагоприятного антропогенного воздействия на природу. Целью аналитической химии становится определение концентрации загрязняющих веществ в различных природных объектах. Ими являются природные и сточные воды различного состава, донные отложения, атмосферные осадки, воз- дух, почвы, биологические объекты и т.д. Широкое внедрение высокоэффективных мер контроля над состоянием окружающей природной среды, не ликвидируя болезнь в корне, очень важно для диагностики. Эффект в этом случае может быть получен намного быстрее и с наименьшими затратами. Система контроля дает возможность вовремя обнаружить вредные примеси и локализовать источ- ник загрязнения. Вот почему роль аналитической химии в охране окружающей среды приобретает все большее значение. Аналитическая химия – это наука о способах идентификации химических соединений, о принци- пах и методах определения химического состава веществ и их структуры. Она является научной осно- вой химического анализа. Химический анализ – это получение опытным путем данных о составе и свойствах объектов. Впервые это понятие научно обосновал Р. Бойль в книге «Химик-скептик» (1661 г.) и ввел термин «ана- лиз». Аналитическая химия базируется на знаниях, полученных при изучении курсов неорганической, ор- ганической, физической химии, физики и математики. Цель изучения аналитической химии – освоение современных методов анализа веществ и их при- менение для решения народно-хозяйственных задач. Тщательный и постоянный контроль производства и объектов окружающей среды основан на достижениях аналитической химии. В. Оствальд писал: «Аналитическая химия, или искусство распознавать вещества или их составные части, занимает среди приложений научной химии особое место, так как вопросы, на которые она дает возможность ответить, возникают всегда при попытке воспроизвести химические процессы для науч- ных или технических целей. Благодаря такому своему значению аналитическая химия с давних пор встречает постоянную заботу о себе…». 1.1 Краткая история развития аналитической химии История развития аналитической химии неотделима от истории развития химии и химической про- мышленности. Отдельные приемы и методы химического анализа были известны с глубокой древности (распознавание веществ по цвету, запаху, вкусу, твердости). В IX – X вв. на Руси пользовались так на- зываемым «пробирным анализом» (определение чистоты золота, серебра и руд). Так, сохранились запи- си Петра I о выполнении им «пробирного анализа» руд. При этом качественный анализ (определение качественного состава) всегда предшествовал количественному анализу (определение количественно- го соотношения компонентов). Основоположником качественного анализа считают английского ученого Роберта Бойля, кото- рый впервые описал методы обнаружения SO 2 − – и Cl − – ионов с помощью Ba 2 + – и Ag + – ионов, а также 4 применил органические красители в качестве индикаторов (лакмус). Однако аналитическая химия нача- ла формироваться в науку после открытия М.В. Ломоносовым закона сохранения веса веществ при хи- мических реакциях и применения весов в химической практике. Таким образом, М.В. Ломоносов – ос- новоположник количественного анализа. Современник Ломоносова академик Т.Е. Ловиц установил взаимосвязь между формой кристаллов и их химическим составом: «микрокристаллоскопический анализ». Первые классические работы по хи- мическому анализу принадлежат академику В.М. Севергину, опубликовавшему «Руководство по испы- танию минеральных вод». В 1844 г. профессор Казанского университета К.К. Клаус, анализируя «сы- рую платину», обнаружил новый элемент – рутений. Переломным этапом в развитии аналитической химии, в становлении ее как науки было открытие периодического закона Д.И. Менделеевым (1869 г.). Труды Д.И. Менделеева составили теоретический фундамент методов аналитической химии и определили основное направление ее развития. В 1871 г. вышло первое руководство по качественному и количественному анализу Н.А. Меншут- кина «Аналитическая химия». Аналитическая химия создавалась трудами ученых многих стран. Неоце- нимый вклад в развитие аналитической химии внесли русские ученые: А.П. Виноградов, Н.А. Тананаев, И.П. Алимарин, Ю.А. Золотов, А.П. Крешков, Л.А. Чугаев, М.С. Цвет, Е.А. Божевольнов, В.И. Кузне- цов, С.Б. Саввин и др. Развитие аналитической химии в первые годы Советской власти проходило в трех основных на- правлениях: – помощь предприятиям в выполнении анализов; – разработка новых методов анализа природных и промышленных объектов; – получение химических реактивов и препаратов. В годы ВОВ аналитическая химия выполняла оборонные задания. Длительное время в аналитической химии господствовали так называемые «классические» методы анализа. Анализ рассматривался как «искусство» и резко зависел от «рук» экспериментатора. Техниче- ский прогресс требовал более быстрых, простых методов анализа. В настоящее время большинство мас- совых химических анализов выполняется с помощью полуавтоматических и автоматических приборов. При этом цена оборудования окупается его высокой эффективностью. В настоящее время необходимо применять мощные, информативные и чувствительные методы ана- лиза, чтобы контролировать концентрации загрязнителей, меньшие ПДК. В самом деле, что означает нормативное «отсутствие компонента»? Может быть, его концентрация настолько мала, что традицион- ным способом ее не удается определить, но сделать это все равно нужно. Действительно, охрана окру- жающей среды – вызов аналитической химии. Принципиально важно, чтобы предел обнаружения загрязняющих веществ аналитическими методами был не ниже 0,5 ПДК. 1.2 ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ На всех стадиях любого производства осуществляется технический контроль – т.е. проводятся ра- боты по контролю качества продукции в ходе технологического процесса с целью предотвращения брака и обеспечения выпуска продукции, соответствующей ТУ и ГОСТам. Технический анализ делится на общий – анализ веществ, встречающийся на всех предприятиях (Н2О, топливо, смазочные материалы) и специальный – анализ веществ, встречающихся только на данном предприятии (сырье, полупродукты, отходы производства, конечный продукт). С этой целью ежедневно тысячи химиков-аналитиков выполняют миллионы анализов, согласно со- ответствующим Международным ГОСТам. Методика анализа – подробное описание выполнения аналитических реакций с указанием условий их выполнения. Ее задачей является овладение навыками эксперимента и сущностью аналитических ре- акций. Методы аналитической химии основаны на различных принципах. 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА 1 По объектам анализа: неорганический и органический. 2 По цели: качественный и количественный. Количественный анализ позволяет установить количественные соотношения составных частей данного соединения или смеси веществ. В отличие от качественного анализа количественный анализ дает возможность определить содержание отдельных компонентов анализируемого вещества или общее содержание определяемого вещества в исследуемом объекте. Методы качественного и количественного анализа, позволяющие определить в анализируемом ве- ществе содержание отдельных элементов, называют элементным анализом; функциональных групп – функциональным анализом; индивидуальных химических соединений, характеризующихся опреде- ленной молекулярной массой, – молекулярным анализом. Совокупность разнообразных химических, физических и физико-химических методов разделения и определения отдельных структурных (фазовых) составляющих гетерогенных систем, различающихся по свойствам и физическому строению и ограниченных друг от друга поверхностями раздела, называют фазовым анализом. 3 По способу выполнения: химические, физические и физико-химические (инструментальные) методы. 4 По массе пробы: макро– (>> 0,10г), полумикро– (0,10 – 0,01г), микро– (0.01 – 10 −6 г), ультрамик- роанализ (< 10 −6 г). 1.4 АНАЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ 1.4.1 Способы выполнения аналитических реакций В основе аналитических методов – получение и измерение аналитического сигнала, т.е. любое проявление химических и физических свойств вещества в результате протекания химической реакции. Аналитические реакции можно проводить «сухим» и «мокрым» путем. Примеры реакций, проводимых «сухим» путем: реакции окрашивания пламени (Na + – желтый; Sr 2+ – красный; Ba 2+ – зеленый; K + – фиолетовый; Tl 3+ – зеленый, In + – синий и др.); при сплавлении Na 2 B 4 O 7 и Co 2+ , Na 2 B 4 O 7 и Ni 2+ , Na 2 B 4 O 7 и Cr 3+ образуются «перлы» буры различной окраски. Чаще всего аналитические реакции проводят в растворах. Анализируемый объект (индивидуальное вещество или смесь веществ) может находиться в любом агрегатном состоянии (твердом, жидком, газо- образном). Объект для анализа называется образцом, или пробой. Один и тот же элемент в образце мо- жет находиться в различных химических формах. Например: S 0 , S 2− , SO 2 − , SO 3 - и т.д. В зависимости от 4 2 цели и задачи анализа после переведения в раствор пробы проводят элементный анализ (определение общего содержания серы) или фазовый анализ (определение содержания серы в каждой фазе или в ее отдельных химических формах). Выполняя ту или иную аналитическую реакцию необходимо строго соблюдать определенные усло- вия ее протекания (температура, рН раствора, концентрация) с тем, чтобы она протекала быстро и имела достаточно низкий предел обнаружения. 1.4.2 Классификация аналитических реакций 1 Групповые реакции: один и тот же реактив реагирует с группой ионов, давая одинаковый сиг- нал. Так, для отделения группы ионов (Ag + , Pb 2+ , Hg 2+) используют реакцию их с Cl − – ионами, при этом 2 образуются белые осадки (AgCl, PbCl 2 , Hg 2 Cl 2). 2 Избирательные (селективные) реакции. Пример: йодокрахмальная реакция. Впервые ее описал в 1815 г. немецкий химик Ф. Штромейер. Для этих целей используют органические реагенты. Пример: диметилглиоксим + Ni 2+ → образование ало − красного осадка диметилглиоксимата никеля. Изменяя условия протекания аналитической реакции, можно неизбирательные реакции сделать из- бирательными. Пример: если реакции Ag + , Pb 2 + , Hg 2 + + Cl − проводить при нагревании, то PbCl 2 не осаждается, так как он 2 хорошо растворим в горячей воде. 3 Реакции комплексообразования используются для целей маскирования мешающих ионов. Пример: для обнаружения Со 2+ в присутствии Fe 3+ – ионов с помощью KSCN , реакцию проводят в присутствии F − – ионов. При этом Fe 3+ + 4F − → − , K н = 10 −16 , поэтому Fe 3+ – ионы закомплексованы и не мешают определению Co 2+ – ионов. 1.4.3 Реакции, используемые в аналитической химии 1 Гидролиз (по катиону, по аниону, по катиону и аниону) Al 3+ + HOH ↔ Al(OH) 2+ + H + ; CO 3 − + HOH ↔ HCO 3 + OH − ; 2 − Fe 3+ + (NH 4) 2 S + HOH → Fe(OH) 3 + ... 2 Реакции окисления–восстановления + 2MnSO 4 + 5K 2 S 2 O 8 + 8H 2 O Ag → 2HMnO 4 + 10KHSO 4 + 2H 2 SO 4  3 Реакции комплексообразования СuSO 4 + 4 NH 4 OH → SO 4 + 4H 2 O 4 Реакции осаждения Ba 2+ + SO 2− →↓ BaSO 4 4 1.4.4 Сигналы методов качественного анализа 1 Образование или растворение осадка Hg 2+ + 2I − →↓ HgI 2 ; красный HgI 2 + 2KI − → K 2 бесцветный 2 Появление, изменение, исчезновение окраски раствора (цветные реакции) Mn 2 + → − MnO 4 → MnO 2 − 4 бесцветный фиолетовый зеленый 3 Выделение газа SO 3 − + 2H + → SO 2 + H 2 O. 2 4 Реакции образования кристаллов строго определенной формы (микрокристаллоскопические ре- акции). 5 Реакции окрашивания пламени. 1.5 Аналитическая классификация катионов и анионов Для катионов существуют две классификации: кислотно-основная и сероводородная. Сероводо- родная классификация катионов представлена в табл. 1.1. 1.1 Сероводородная классификация катионов Аналитическая Аналитическая Катионы Групповой реагент группа форма І K + , Na + , NH + , Mg 2 + 4   (NH 4) 2 CO 3 + NH 4 OH + NH 4 Cl II Ba 2 + , Sr 2 + , Ca 2 + MeCO3 ↓ pH ~ 9 Al3 + , Cr 3 + (NH 4) 2 S + NH 4 OH + NH 4 Cl Me(OH)m ↓ III Zn 2 + , Mn 2 + , Ni 2 + , Co 2 + , Fe 2 + , Fe3 + pH ~ 9 MeS ↓ Cu 2 + , Cd 2 + , Bi 3 + , Sn 2 + , Sn 4 + H 2S → HCl, IV MeS ↓ Hg 2 + , As3 + , As5 + , Sb 3 + , Sb 5 + pH ~ 0,5 V Ag + , Pb 2 + , 2 + HCl MeCl m ↓ Все анионы делятся на две группы: 1 Групповой реагент – BaCl 2 ; при этом образуются растворимые соли бария: − − − Cl , Br , I , NO 3 , CH 3 COO − , SCN − , − , 4− 3− 2 − ClO − , ClO − , ClO 3 , ClO − . − , BrO3 4 2 Анионы образуют малорастворимые соли бария, которые растворимы в уксусной, соляной и азотной кислотах (за исключением BaSO 4): F − , CO 3 − , SO 2− , SO 3 − , S 2 O 3 − , SiO 3 − , CrO 2− , PO 3− . 2 4 2 2 2 4 4 1.5.1 Схема анализа по идентификации неизвестного вещества 1 Окраска сухого вещества: черная: FeS, PbS, Ag 2 S, HgS, NiS, CoS, CuО, MnO 2 и др; оранжевая: Cr2 O 7− и др; 2 желтая: CrO 2− , HgO, CdS ; 4 красная: Fe(SCN) 3 , Co 2+ ; синяя: Cu 2+ . 2 Окраска пламени. 3 Проверка на наличие кристаллизационной воды. 4 Действие кислот на сухую соль (газ). 5 Подбор растворителя (при комнатной температуре, при нагревании): H 2 O, CH 3 COOH, HCl, H 2 SO 4 , «царская водка», сплавление с Na 2CO3 и последующее выщелачивание. Следует помнить, что практи- чески все нитраты, все соли калия, натрия и аммония растворимы в воде. 6 Контроль pH раствора (только для растворимых в воде объектов). 7 Предварительные испытания (Fe 2+ , Fe 3+ , NH +). 4 8 Обнаружение группы катионов, анионов. 9 Обнаружение катиона. 10 Обнаружение аниона. 1.6 Методы разделения и концентрирования Разделение – это операция (процесс), в результате которого компоненты, составляющие исходную смесь, отделяются один от другого. Концентрирование – операция (процесс), в результате которого повышается отношение концен- трации или количества микрокомпонентов к концентрации или количеству макрокомпонентов. Необходимость разделения и концентрирования может быть обусловлена следующими факторами: – проба содержит компоненты, мешающие определению; – концентрация определяемого компонента ниже предела обнаружения метода; – определяемые компоненты неравномерно распределены в пробе; – отсутствуют стандартные образцы для градуировки приборов; – проба высокотоксична, радиоактивна или дорога. Большинство методов разделения основано на распределении вещества между двумя фазами: I – водной и II – органической. Например, для вещества А имеет место равновесие A I ↔ A II . Тогда отношение концентрации вещества А в органической фазе к концентрации вещества в водной фазе называется константой распределения K D KD = [A]II [A]I Если обе фазы – растворы, насыщенные относительно твердой фазы, и экстрагируемое вещество существует в единственной форме, то при равновесии константа распределения равна S II KD = , (1.1) SI где S I , S II – растворимости вещества в водной и органической фазах. Абсолютно полное извлечение, а, следовательно, и разделение теоретически неосуществимы. Эф- фективность извлечения вещества А из одной фазы в другую можно охарактеризовать двумя фактора- ми: полнотой извлечения Rn и степенью отделения примесей Rc . x y Rn = ; Rc = , (1.2) x0 y0 где x и x0 – содержание извлекаемого вещества и содержание его в исходном образце; y и y0 – конечное и исходное содержание примеси. Чем меньше Rc и чем больше Rn , тем совершеннее разделение.